Wettbewerb "Projekt Traumsonde" (16 bis 25 Jahre)
Mission Phobos

Maximilian Kleine

Unsere Sonde beschreibt einen mobilen Rover mit Sensoren zur Abstandserkennung, einer Kamera mit Linsen in alle Richtungen, verschließbaren Schlitzen zum Aufnehmen von Gasen aus der Umgebung und dem speziellen Fortbewegungsmechanismus.

Das Ziel dieser Weltraummission ist der Marsmond Phobos. Neben Deimos ist er einer der beiden Monde des Mars und somit kosmologischer Nachbar der Erde. Ein bisher ungeklärtes Rätsel dieses Mondes ist seine Entstehungsgeschichte. Aufgrund der unregelmäßigen Form des Mondes gibt es die Annahme, dass er als Asteroid im Schwerefeld des Mars eingefangen wurde und ihn seitdem umkreist. Dagegen sprechen allerdings die Ergebnisse einer Untersuchung, die vom Nationalen Institut für Astrophysik in Rom auf dem European Planetary Science Congress 2010 vorgestellt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf der Mondoberfläche Schichtsilikate nachgewiesen, die laut Marco Giuranna vom besagten Institut ein Indiz dafür sind, dass der Marsmond aus in den Orbit geschleuderten Überresten von einem Asteroideneinschlag auf den Mars entstanden sei. Aus diesen Gesteinsbrocken hätte sich so ein locker zusammengesetzter Mond ergeben. Dies würde die geringe Dichte von 1,887 g/cm³ erklären, im Vergleich dazu liegt die mittlere Dichte des Mars bei 3,933 g/cm³. Für diese Hypothese spräche auch die mineralogische Zusammensetzung des Mondes, die der Marsoberfläche ähnelt.

Dagegen gab Pascal Lee vom kalifornischen Mars Institute zu bedenken, dass es auch silikathaltige Asteroiden gibt, und die geringe Dichte dadurch zustande gekommen sein könnte, dass ein Asteroid beim Einfang zerfallen und Phobos dann aus den Trümmern entstanden sei. Es herrscht somit noch immer keine Einigkeit über die genaue Entstehung.

Eine Aufklärung über die Entstehung hätte also große Bedeutung für die Planetenwissenschaft und die Geschichte des Mars. Weiterhin gilt es zu beachten, dass die Raumsonde Phobos 2, die 1988 startete, eine feine, aber stetige Gasströmung entdeckt hat, die von Phobos ausgeht. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um Wasser. Bisher scheiterte jedoch jeder Versuch, mit einem Rover den Mond zu untersuchen.

Daher ist es nun Aufgabe dieser Mission, Gesteinsproben zu sammeln, um herauszufinden, ob der Mond aus Trümmerteilen in Folge eines Einschlags auf dem Mars entstanden ist oder ob der Mond als Asteroid vom Mars eingefangen wurde und so eventuell sogar Wasser von weit her mitgebracht hat. Sollte sich das Gas als Wasserdampf herausstellen, wird weiterhin untersucht, ob dort die für die Entstehung von Leben notwendigen Aminosäuren enthalten sind, um so Rückschlüsse über die Entstehung von primitivem Leben im Weltraum zu ziehen.

Missionsablauf

Zunächst wird eine Trägerrakete eine Landeeinheit, in der sich ein kleiner Rover befindet, auf einen Orbit um die Erde bringen, die sich dann nach einigen Umrundungen in Richtung Mars ablöst. Nach der 'Low-Energy-transfer'-Methode zielt die Sonde nicht direkt auf den Mars, sondern nähert sich dem Mars nur an, um von dessen Gravitation abgebremst und so auf eine elliptische Umlaufbahn um den Mars gezwungen zu werden. Nach diesem Verfahren des 'Ballistic Capture' muss nicht wie bisher so viel Kraftstoff für das Abbremsen der Sonde verwendet werden, was ein geringeres Gesamtgewicht der Sonde ermöglicht.

Ist die Sonde erst einmal auf einer Umlaufbahn um den Mars, wird sie mit ihren Triebwerken ihre Geschwindigkeit soweit verringern, bis sie sich auf einer Umlaufbahn mit Phobos befindet. Da sich die Sonde schneller als der Mond bewegt, wird sie den Mond einholen und kann dann unter Verbrauch von wenig Kraftstoff auf ihm landen.

Nach der Landung wird die Landeeinheit mithilfe eines Bohrers das Gestein am Landeort aufbohren und tiefere Gesteinsproben entnehmen. Aus der Landeeinheit wird ein kleiner Rover entlassen, der über mehrere Monate hinweg den Mond erkundet, Staubproben sammelt, die Umgebung nach Wasserdampf untersucht und zwischendrin zur Landeeinheit zurückkehren wird, um die gesammelten Proben zu lagern und um die Akkus der Motoren aufzuladen.

Am Ende der Mission wird sich die Landeeinheit ohne den Rover - aber mit den gesammelten Proben - auf den Rückweg zur Erde begeben, um das Gesamtgewicht niedrig zu halten. Die Rückkehrmission gestaltet sich auch kraftstoffsparend, da die Anziehungskraft des Mondes sehr gering ist (die Fallbeschleunigung liegt bei lediglich 4 bis 8 * 10-3 m/s²) und so keine großen Treibstoffreserven benötigt werden, um sich aus dem Schwerefeld zu lösen.

Die Sonde wird sich zunächst auf eine Umlaufbahn um den Mars begeben, um dann von dort aus Kurs auf die Erde zu nehmen. Nach einigen Umrundungen um die Erde wird dann der Wiedereintritt eingeleitet. So wie auch die Apollo-Raumschiffe durch einen ablativen Hitzeschild geschützt wurden, wird die Sonde auch mit einem derartigen Hitzeschutz vor den hohen Temperaturen beim Wiedereintritt geschützt. Kurz darauf werden dann Hochgeschwindigkeitsfallschirme geöffnet, um die Geschwindigkeit weiter zu senken. Die Sonde wird am Ende der Mission im Ozean landen, wo aufblasbare Gassäcke die Sonde bis zur Bergung an der Wasseroberfläche halten.

Aufbau der Sonde

Die Landeeinheit ist ein aus Carbon und Titan gebauter Würfel, der auf Stelzen steht und an der Unterseite 6 kreisförmig angeordnete und 1 mittiges großes Triebwerk besitzt, die nach dem chemischen Antriebsprinzip funktionieren. An der Landeeinheit befinden sich zudem zwei Kameras, die anhand von Bildern der sichtbaren Sterne die genaue Position der Landeeinheit im Weltraum bestimmen. Die Seitenwände des Würfels, an denen Solarzellen montiert sind, können ausgeklappt werden, sodass Strom für die Geräte erzeugt werden kann. Die Landeeinheit wird zusätzlich einen Bohrer besitzen, mit dem an der Landestelle Gesteinsproben entnommen werden sollen. Im Bauch der Landeeinheit befindet sich der mobile Rover, der den Marsmond untersuchen soll und der durch die Landeeinheit über Funk mit der Erde kommuniziert. Aufgrund der geringen Distanz zur Erde kann die Sonde so fast in Echtzeit gesteuert werden.

Der Rover besteht aus einem liegenden Zylinder, an dessen Enden sich jeweils ein Rad befindet. Ich gehe davon aus, dass die Oberfläche des Mondes sehr uneben ist und nur teilweise ebene Flächen besitzt. Um sich in diesem unwegsamen Gelände fortzubewegen, benutzt der Rover einen Antrieb, der der Sprungmechanik eines Flohs nachempfunden ist. An beiden Rädern befindet sich ein Roboterarm, der als Sprungbein funktioniert, sodass der Rover durch das Gelände und über Hindernisse hinweghüpft und auf ebenen Flächen durch den Schwung des Sprungs rollen kann.

Die Mechanik im Sprungbein ist der Funktionsweise von Muskeln nachempfunden, sodass ein kleiner Motor elastische Bänder spannt, die mit einer Art Sehne an dem nächsten Segment des Sprungbeins verbunden sind. Wenn sich die Stränge ruckartig zusammenziehen, ziehen diese an der Sehne, sodass sich das Sprungbein streckt und die Kraft über den Bodenkontakt auf den Boden übertragen wird und der Rover so nach vorne springt. Die gespannten Stränge ziehen sich schlagartig zusammen und ziehen an einem Seil, sodass die gespeicherte Energie über die weiteren Segmente, die sich wie Hebel verhalten, auf den Boden übertragen wird. Als Gegenreaktion stößt sich der Rover vom Boden ab und springt nach vorne.

Der Rover hat in dem Zylinder verschließbare Schlitze, über die Gase aus der Atmosphäre gesammelt werden. Mit den verschließbaren Schlitzen wird verhindert, dass während der Fortbewegung aufgewirbelter Staub aufgenommen wird. Aufgrund der niedrigen Temperatur auf Phobos (163 bis 268 K) ist es schwer umsetzbar, im Rover die Proben zu untersuchen. Deswegen werden die Proben erst zurück auf der Erde auf Spurenelemente und Wasser untersucht. Mit der heutigen Technik kann man bereits sehr geringe Konzentrationen nachweisen (wenige Teilchen pro Billionen Teilchen), sodass man mit hoher Präzision sagen kann, ob und wenn ja wie viel Wasserdampf und welche anderen Stoffe es auf Phobos gibt.

Des Weiteren befinden sich in dem Zylinder ein kleiner, ausfahrbarer Greifarm zum Sammeln von Gesteins- und Staubproben sowie eine Kamera, die das Signal an die Landeeinheit sendet, die es dann weiter an die Erde weiterleitet. So können mit diesem Rover wichtige Gesteinsproben gesammelt werden, die großen Aufschluss über die Entstehung von Phobos und eventuell über die Geschichte des Mars geben.